黃碩彥

(上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上?！?01306)

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重力式沉箱碼頭抗傾抗滑穩(wěn)定性淺析

黃碩彥

(上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海201306)

重力式沉箱碼頭是我國分布最廣的碼頭形式之一。近年來，重力式沉箱碼頭的失事事件時有發(fā)生，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，引起失事主要原因是碼頭結(jié)構(gòu)的抗滑抗傾的穩(wěn)定性不足。通過廈門港現(xiàn)有的自然環(huán)境的分析和擬建港區(qū)地形、地質(zhì)、水文、氣象等資料統(tǒng)計(jì)，考慮持久組合、短暫組合和偶然組合等作用力組合，對該碼頭沿沉箱前趾的抗傾、抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，確定廈門港石材泊位碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)的安全性，并為重力式沉箱碼頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

重力式沉箱；碼頭；抗滑穩(wěn)定

1　問題的提出

我國已經(jīng)成為世界港口大國,目前在長江三角洲、珠江三角洲、環(huán)渤海灣、東南沿海、西南沿海5大區(qū)域形成了規(guī)模龐大并相對集中的港口群。在我國己建港口的碼頭形式中,重力式約占1/2以上,且在我國南北各地均有分布。重力式碼頭結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用；抗凍性和抗冰性良好；能承受較大的地面載荷和船舶載荷，對較大的集中載荷以及碼頭地面超載和裝卸工藝變化適應(yīng)性強(qiáng)；施工簡單、維修費(fèi)用小。重力式沉箱結(jié)構(gòu)是一種巨型的鋼筋混凝土空角，箱內(nèi)用橫縱隔墻隔成若干個艙格。沉箱一般在專門的預(yù)制場預(yù)制，然后在滑道上用臺車溜放下水。下水后的沉箱用拖輪拖至現(xiàn)場，定位后用灌水壓載法將其沉放在基床上，再用塊石和砂填充沉箱內(nèi)部。目前在建和已建的大型重力式碼頭中很大一部分是重力式沉箱結(jié)構(gòu)。

但是近年來，重力式碼頭的失事事件時有發(fā)生，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，引起失事的原因很多，主要原因是重力式碼頭結(jié)構(gòu)的抗滑及抗傾的穩(wěn)定性不足。如2014年，吳宏[1]等提出長江流域近年出現(xiàn)部分重力式碼頭的失事現(xiàn)象，經(jīng)過調(diào)查分析可以知道，主要是碼頭的抗滑和抗傾穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)中考慮的因素少。抗滑、抗傾穩(wěn)定性是重力式碼頭設(shè)計(jì)中必須要考慮的問題，尤其是沿沉箱前趾的抗傾、抗滑穩(wěn)定[2]是重力式沉箱碼頭設(shè)計(jì)的重要部分。本文以廈門港石材泊位碼頭為例，結(jié)合當(dāng)?shù)厮?、地質(zhì)條件，對該碼頭沿沉箱前趾的抗傾、抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，確定廈門港石材泊位碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)的安全性，并為重力式沉箱碼頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

2　工程區(qū)域概況

廈門港位于我國東南沿海福建金門灣內(nèi)，雄踞臺灣海峽西岸，扼九龍江入?？?，東望寶島臺灣，南北承接珠江三角洲和長江三角洲兩大經(jīng)濟(jì)圈，地處中國南海至東海、東北亞至東南亞的交通要沖，是中國東南沿海浙江寧波至廣東深圳綿延數(shù)千公里海岸線上最重要的深水良港之一。

該地區(qū)春、夏兩季以SE向風(fēng)為主，秋、冬兩季以NE向風(fēng)為主，每年5—6月下午常有較強(qiáng)的NE或SW向風(fēng)，平均風(fēng)力3～4級，最大5～6級，瞬時極大風(fēng)力可達(dá)7～8級。地質(zhì)勘察資料表明，該區(qū)域內(nèi)土層分布簡單，表層為淤泥與流泥，中部為殘積土，下部為基巖風(fēng)化層，可分為全、強(qiáng)、中分化巖，全、強(qiáng)風(fēng)化巖巖性為粉砂巖，中風(fēng)化巖巖性以凝灰熔巖為主,局部為粉砂巖。該工程位于廈門港翔安劉五店港區(qū),由于有防波堤的掩護(hù)，該區(qū)主要為灣內(nèi)小風(fēng)區(qū)產(chǎn)生的風(fēng)浪，通常在低風(fēng)速情況下，均為波高、周期較小的風(fēng)浪，泊穩(wěn)條件良好。

3　重力式沉箱碼頭結(jié)構(gòu)

該工程擬建3個6萬噸級石材泊位及相應(yīng)的港口配套措施。按規(guī)范取6萬噸級散貨船(總長266.0 m，型寬38.1 m，型深20.90 m，滿載吃水15.00 m)。碼頭前沿高程為7.50 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程為-13.13 m。根據(jù)工程地質(zhì)條件，碼頭水工建筑物優(yōu)先選用重力式沉箱碼頭。

碼頭沉箱高度16.60 m，底寬16.5 m，取16個長為18.5 m的A型沉箱和1個長為14.2 m的B型沉箱。沉箱內(nèi)設(shè)12個倉格，倉格內(nèi)回填開山石。拋石基床的平均厚度約1.00 m，沉箱后方填筑10～100 kg塊石形成減壓棱體，碼頭后方陸域?yàn)榛靥铋_山石，拋石棱體與回填開山石之間設(shè)置2片石層與混合倒濾層。沉箱構(gòu)件示意見圖1～2。

4　抗傾、抗滑穩(wěn)定計(jì)算

重力式沉箱碼頭的抗滑、抗傾設(shè)計(jì)應(yīng)考慮沉箱整體、沉箱局部(如前趾)的穩(wěn)定?，F(xiàn)行JTS 167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》規(guī)定重力式碼頭承載能力極限狀態(tài)的持久組合應(yīng)進(jìn)行下列計(jì)算或驗(yàn)算：①對墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性；②沿基床底面的抗滑穩(wěn)定性等。本文結(jié)合工程實(shí)際，開展碼頭沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性及碼頭墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性計(jì)算。

圖1沉箱縱剖面圖　單位：mm

圖2沉箱橫剖面圖　單位：mm

4.1作用效應(yīng)組合

作用效應(yīng)組合應(yīng)考慮持久組合、短暫組合和偶然組合，結(jié)合該工程實(shí)際情況，在碼頭穩(wěn)定性驗(yàn)算時考慮了以下作用效應(yīng)組合[3]：

持久組合1：極端高水位(永久作用)+堆貨(主導(dǎo)可變作用)+波谷壓力(非主導(dǎo)可變作用)；

持久組合2：設(shè)計(jì)高水位(永久作用)+堆貨(主導(dǎo)可變作用)+波谷壓力(非主導(dǎo)可變作用)；

持久組合3：設(shè)計(jì)高水位(永久作用)+波谷壓力(主導(dǎo)可變作用)+堆貨(非主導(dǎo)可變作用)；

持久組合4：極端高水位(永久作用)+波谷壓力(主導(dǎo)可變作用)+堆貨(非主導(dǎo)可變作用)；

短暫組合：設(shè)計(jì)高水位(永久作用)+波峰壓力(主導(dǎo)可變作用)。

4.2沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

考慮波浪作用，堆貨土壓力為主導(dǎo)可變作用時[3]：

(1)

考慮波浪作用，波浪力為主導(dǎo)可變作用時[3]：

(2)

穩(wěn)定驗(yàn)算時作用分項(xiàng)系數(shù)見表1，抗傾穩(wěn)定計(jì)算的分項(xiàng)系數(shù)見表2。

表1　穩(wěn)定驗(yàn)算時作用分項(xiàng)系數(shù)表[3]

各作用的標(biāo)準(zhǔn)值按碼頭荷載匯總，具體見表3。

表2　抗傾穩(wěn)定計(jì)算的分項(xiàng)系數(shù)表[3]

短暫組合情況的計(jì)算公式[4]:

γ0γPP≤(γGG-γuPu)f

(3)

碼頭沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。

4.3碼頭墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性計(jì)算

考慮波浪作用，堆貨土壓力為主導(dǎo)可變作用時[3]：

(4)

考慮波浪作用，波浪力為主導(dǎo)可變作用時[3]：

(5)

各分項(xiàng)系數(shù)及各作用的標(biāo)準(zhǔn)值按碼頭荷載的數(shù)值取值見表1、表2。短暫組合情況的計(jì)算公式為[3]：

(6)

碼頭荷載匯總見表3，碼頭沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算見表4～5，碼頭墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性具體計(jì)算見表6～7。

表3　碼頭荷載匯總表

表4　碼頭沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算表(土壓力為主導(dǎo))

表5　碼頭沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算表(波浪力為主導(dǎo))

表6　碼頭墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性計(jì)算表(土壓力為主導(dǎo))

表7　碼頭墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性計(jì)算表(波浪力為主導(dǎo))

對表4～7結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到廈門港石材泊位碼頭的沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性及墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性，具體見表8。

表8　廈門港石材泊位碼頭抗滑抗傾穩(wěn)定性匯總表

由表8可知，廈門港石材泊位碼頭沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性及墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性均滿足要求，且抗傾抗力與荷載效應(yīng)比值較大，穩(wěn)定性較好。

5　結(jié)　論

(1)本文考慮持久組合、短暫組合和偶然組合等作用組合，通過對廈門港石材泊位重力式沉箱碼頭穩(wěn)定計(jì)算，可知該碼頭沿墻底面、墻身各水平縫和基床地面的抗滑穩(wěn)定性及墻底面和墻身各水平縫及齒縫計(jì)算面前趾的抗傾穩(wěn)定性均滿足要求。

(2)本文采用分項(xiàng)系數(shù)法對重力式碼頭抗滑、抗傾穩(wěn)定計(jì)算。這種方法是近年來比較經(jīng)典的重力式碼頭穩(wěn)定計(jì)算的方法，在大部分重力式碼頭中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

(3)由于影響重力式碼頭穩(wěn)定因素比較復(fù)雜，故建議在以后的設(shè)計(jì)計(jì)算中，如果條件允許可采用可靠度指標(biāo)來進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算[5]。

[1]吳宏．重力式碼頭抗滑抗傾穩(wěn)定性探討[J]．中華民居，2014(27):177-178.

[2]姜寧林，周鑫強(qiáng).基于均勻設(shè)計(jì)的重力式碼頭抗傾穩(wěn)定敏感性分析[J].水運(yùn)工程，2014，6(6)：55-56.

[3]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTS167-2—2009重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[4]交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.JTS154-1—2009防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5]貢金鑫，麥遠(yuǎn)儉，王利歡.重力式碼頭抗滑、抗傾穩(wěn)定性可靠指標(biāo)[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2008，4(12)：8-10.

(責(zé)任編輯姚小槐)

2016-02-22

黃碩彥(1991-)，男，研究生，目前就讀于上海海事大學(xué)港口航道及近海工程專業(yè)。

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